【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電纜線。西門子公司提供的 IPC/PPI 電纜帶有 RS232/RS485 轉(zhuǎn)換東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） PC與 PLC的通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 7 器，可直接采用 PC/PPI 電纜，因此在不增加任何硬件的情況下，可以很方便地將 PLC 和 PC的連接，如圖 15所示。也可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)連接。 圖 15 IPC與 S7200系列 PLC的連接 PC RS232 接口 RS232/ RS485 轉(zhuǎn)換器 S7200 PLC RS485 接口 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） PC與 PLC的通信系統(tǒng)下位機(jī)硬件設(shè)計(jì) 8 2. PC 與 PLC 的通信系統(tǒng)下位機(jī)硬件設(shè)計(jì) PLC 硬件介紹 PLC 的硬件主要由中央處理器（ CPU）、存儲(chǔ)器、輸入單元、輸出單元、通信接口、擴(kuò)展接口電源等部分組成。其中， CPU 是 PLC 的核心，輸入單元與輸出單元是連接現(xiàn)場(chǎng)輸入 /輸出設(shè)備與 CPU之間的接口電路，通信接口用于與編程器、上位計(jì)算機(jī)等外設(shè)連接。 對(duì)于整體式 PLC，所有部件都裝在同一機(jī)殼內(nèi)，其組成框圖如圖 21所示 ；對(duì)于模塊式 PLC，各部件獨(dú)立封裝成模塊，各模塊通過總線連接，安裝在機(jī)架或?qū)к壣?，其組成框圖如圖 22 所示。無論是哪種結(jié)構(gòu)類型的 PLC，都可根據(jù)用戶需要進(jìn)行配置與組合。 [4] 圖 21 整體式 PLC組成框圖 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） PC與 PLC的通信系統(tǒng)下位機(jī)硬件設(shè)計(jì) 9 圖 22 模塊式 PLC組成框圖 盡管整體式與模塊式 PLC 的結(jié)構(gòu)不太一樣，但各部分的功能作用是相同的，下面對(duì) PLC 主要組成各部分進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。 中央處理單元（ CPU） 同一般的微機(jī)一樣， CPU 是 PLC 的核心。 PLC中所配置的 CPU 隨機(jī)型不同而不同，常用有三類：通用微處理器（如 Z80、 808 80286 等）、單片微處理器（如 803 8096 等）和位片式微處理器 (如 AMD29W 等 ) 。小型 PLC 大多采用8位通用微處理器和單片微處理器；中型 PLC大多采用 16位通用微處理器或單片微處理器；大型 PLC 大多采用高速位片式微處理器。 目前，小型 PLC 為單 CPU 系統(tǒng)，而中、大型 PLC 則大多為雙 CPU 系統(tǒng)，甚至有些 PLC 中多達(dá) 8 個(gè) CPU。對(duì)于雙 CPU 系統(tǒng)，一般一個(gè)為字處理器，一般采用 8 位或 16位處理器；另一個(gè)為位處理器，采用由各廠家設(shè)計(jì)制造的專用芯片。字處理器為主處理器，用于執(zhí)行編程器接口功能， 監(jiān)視內(nèi)部定時(shí)器，監(jiān)視掃描時(shí)間，處理字節(jié)指令以及對(duì)系統(tǒng)總線和位處理器進(jìn)行控制等。位處理器為從處理器，主要用于處理位操作指令和實(shí)現(xiàn) PLC 編程語言向機(jī)器語言的轉(zhuǎn)換。位處理器的采用 ,提高了 PLC 的速度，使 PLC更好地滿足實(shí)時(shí)控制要求。 在 PLC 中 CPU 按系統(tǒng)程序賦予的功能，指揮 PLC 有條不紊地進(jìn)行工作，歸納起來主要有以下幾個(gè)方面： 1）接收從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。 2）診斷電源、 PLC 內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語法錯(cuò)誤等。 3）通過輸入接口接收現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映象寄有器或數(shù)據(jù)寄存器中。 4）從 存儲(chǔ)器逐條讀取用戶程序，經(jīng)過解釋后執(zhí)行。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） PC與 PLC的通信系統(tǒng)下位機(jī)硬件設(shè)計(jì) 10 5）根據(jù)執(zhí)行的結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映象寄存器的內(nèi)容，通過輸出單元實(shí)現(xiàn)輸出控制。有些 PLC 還具有制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。 存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器主要有兩種：一種是可讀 /寫操作的隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM，另一種是只讀存儲(chǔ)器 ROM、 PROM 、 EPROM 和 EEPROM。在 PLC 中，存儲(chǔ)器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)程序是由 PLC 的制造廠家編寫的，和 PLC 的硬件組成有關(guān)，完成系統(tǒng)診斷、命令解釋、功能子程序調(diào)用管理、邏輯運(yùn)算、通信及各種參 數(shù)設(shè)定等功能，提供 PLC 運(yùn)行的平臺(tái)。系統(tǒng)程序關(guān)系到 PLC 的性能，而且在 PLC 使用過程中不會(huì)變動(dòng)，所以是由制造廠家直接固化在只讀存儲(chǔ)器 ROM、 PROM 或 EPROM中，用戶不能訪問和修改。 用戶程序是隨 PLC 的控制對(duì)象而定的，由用戶根據(jù)對(duì)象生產(chǎn)工藝的控制要求而編制的應(yīng)用程序。為了便于讀出、檢查和修改，用戶程序一般存于 CMOS 靜態(tài) RAM 中，用鋰電池作為后備電源，以保證掉電時(shí)不會(huì)丟失信息。為了防止干擾對(duì) RAM 中程序的破壞，當(dāng)用戶程序經(jīng)過運(yùn)行正常，不需要改變，可將其固化在只讀存儲(chǔ)器 EPROM 中?，F(xiàn)在有許多 PLC 直接采 用 EEPROM 作為用戶存儲(chǔ)器。 工作數(shù)據(jù)是 PLC 運(yùn)行過程中經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。存放在 RAM中，以適應(yīng)隨機(jī)存取的要求。在 PLC 的工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，設(shè)有存放輸入輸出繼電器、輔助繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等邏輯器件的存儲(chǔ)區(qū)，這些器件的狀態(tài)都是由用戶程序的初始設(shè)置和運(yùn)行情況而確定的。根據(jù)需要，部分?jǐn)?shù)據(jù)在掉電時(shí)用后備電池維持其現(xiàn)有的狀態(tài)，這部分在掉電時(shí)可保存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)域稱為保持?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)。 由于系統(tǒng)程序及工作數(shù)據(jù)與用戶無直接聯(lián)系，所以在 PLC 產(chǎn)品樣本或使用手冊(cè)中所列存儲(chǔ)器的形式及容量是指用戶程序存儲(chǔ)器。當(dāng) PLC提供的用戶存儲(chǔ)器容量不夠用，許多 PLC 還提供有存儲(chǔ)器擴(kuò)展功能。 輸入 /輸出單元 輸入 /輸出單元通常也稱 I/O 單元或 I/O 模塊，是 PLC 與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)之間的連接部件。 PLC 通過輸入接口可以檢測(cè)被控對(duì)象的各種數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)作為 PLC 對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行控制的依據(jù)；同時(shí) PLC 又通過輸出接口將處理結(jié)果送給被控制對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)控制目的。 由于外部輸入設(shè)備和輸出設(shè)備所需的信號(hào)電平是多種多樣的，而 PLC 內(nèi)部CPU 的處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，所以 I/O接口要實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。 I/O 接口一東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） PC與 PLC的通信系統(tǒng)下位機(jī)硬件設(shè)計(jì) 11 般都具有光電隔離和濾波功 能，以提高 PLC 的抗干擾能力。另外， I/O 接口上通常還有狀態(tài)指示，工作狀況直觀，便于維護(hù)。 PLC 提供了多種操作電平和驅(qū)動(dòng)能力的 I/O 接口，有各種各樣功能的 I/O接口供用戶選用。 I/O 接口的主要類型有：數(shù)字量（開關(guān)量）輸入、數(shù)字量（開關(guān)量）輸出、模擬量輸入、模擬量輸出等。 常用的開關(guān)量輸入接口按其使用的電源不同有三種類型：直流輸入接口、交流輸入接口和交 /直流輸入接口，其基本原理電路如圖 23 所示。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） PC與 PLC的通信系統(tǒng)下位機(jī)硬件設(shè)計(jì) 12 圖 23 開關(guān)量輸入接口 a）直流輸入 b）交流輸入 c）交 /直流輸入 常用的開關(guān)量輸出接口按輸出 開關(guān)器件不同有三種類型：是繼電器輸出、晶體管輸出和雙向晶閘管輸出，其基本原理電路如圖 24所示。繼電器輸出接口可驅(qū)動(dòng)交流或直流負(fù)載，但其響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)作頻率低；而晶體管輸出和雙東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） PC與 PLC的通信系統(tǒng)下位機(jī)硬件設(shè)計(jì) 13 向晶閘管輸出接口的響應(yīng)速度快，動(dòng)作頻率高，但前者只能用于驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載，后者只能用于交流負(fù)載。 a）繼電器輸出 b）晶體管輸出 c）晶閘管輸出 圖 24 開關(guān)量輸出接口 PLC的 I/O接口所能接受的輸入信號(hào)個(gè)數(shù)和輸出信號(hào)個(gè)數(shù)稱為 PLC輸入 / 輸出（ I/O）點(diǎn)數(shù)。 I/O 點(diǎn)數(shù)是選擇 PLC 的重要依據(jù)之一。當(dāng)系統(tǒng)的 I/O 點(diǎn)數(shù)不夠時(shí)， 可通過 PLC 的 I/O 擴(kuò)展接口對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。 通信接口 PLC 配有各種通信接口，這些通信接口一般都帶有通信處理器。 PLC 通過東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） PC與 PLC的通信系統(tǒng)下位機(jī)硬件設(shè)計(jì) 14 這些通信接口可與監(jiān)視器、打印機(jī)、其它 PLC、計(jì)算機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信。 PLC 與打印機(jī)連接，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打印；與監(jiān)視器連接，可將控制過程圖像顯示出來；與其它 PLC 連接，可組成多機(jī)系統(tǒng)或連成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)?？刂?。 與計(jì)算機(jī)連接，可組成多級(jí)分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制與管理相結(jié)合。 遠(yuǎn)程 I/O 系統(tǒng)也必須配備相應(yīng)的通信接口模塊。 智能接口模塊 智能 接口模塊是一獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它有自己的 CPU、系統(tǒng)程序、存儲(chǔ)器以及與 PLC 系統(tǒng)總線相連的接口。它作為 PLC 系統(tǒng)的一個(gè)模塊，通過總線與PLC 相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并在 PLC 的協(xié)調(diào)管理下獨(dú)立地進(jìn)行工作。 PLC 的智能接口模塊種類很多，如：高速計(jì)數(shù)模塊、閉環(huán)控制模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、中斷控制模塊等 編程裝置 編程裝置的作用是編輯、調(diào)試、輸入用戶程序，也可在線監(jiān)控 PLC 內(nèi)部狀態(tài)和參數(shù)，與 PLC 進(jìn)行人機(jī)對(duì)話。它是開發(fā)、應(yīng)用、維護(hù) PLC 不可缺少的工具。編程裝置可以是專用編程器，也可以是配有專用編程軟件包的通 用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。專用編程器是由 PLC 廠家生產(chǎn)，專供該廠家生產(chǎn)的某些 PLC 產(chǎn)品使用，它主要由鍵盤、顯示器和外存儲(chǔ)器接插口等部件組成。專用編程器有簡(jiǎn)易編程器和智能編程器兩類。 簡(jiǎn)易型編程器只能聯(lián)機(jī)編程，而且不能直接輸入和編輯梯形圖程序，需將梯形圖程序轉(zhuǎn)化為指令表程序才能輸入。簡(jiǎn)易編程器體積小、價(jià)格便宜，它可以直接插在 PLC 的編程插座上，或者用專用電纜與 PLC 相連，以方便編程和調(diào)試。有些簡(jiǎn)易編程器帶有存儲(chǔ)盒，可用來儲(chǔ)存用戶程序。 智能編程器又稱圖形編程器，本質(zhì)上它是一臺(tái)專用便攜式計(jì)算機(jī)。它既可聯(lián)機(jī)編程，又可脫機(jī)編程 ?？芍苯虞斎牒途庉嬏菪螆D程序，使用更加直觀、方便，但價(jià)格較高，操作也比較復(fù)雜。大多數(shù)智能編程器帶有磁盤驅(qū)動(dòng)器，提供錄音機(jī)接口和打印機(jī)接口。 專用編程器只能對(duì)指定廠家的幾種 PLC 進(jìn)行編程，使用范圍有限，價(jià)格較高。同時(shí)，由于 PLC 產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，所以專用編程器的生命周期也十分有限。因此，現(xiàn)在的趨勢(shì)是使用以個(gè)人計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的編程裝置，用戶只要購買PLC 廠家提供的編程軟件和相應(yīng)的硬件接口裝置。這樣，用戶只用較少的投資即可得到高性能的 PLC 程序開發(fā)系統(tǒng)。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） PC與 PLC的通信系統(tǒng)下位機(jī)硬件設(shè)計(jì) 15 基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的程序開發(fā)系統(tǒng)功能強(qiáng)大。它既可以編制、修改 PLC 的梯形圖程序，又可以監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行、打印文件、系統(tǒng)仿真等。配上相應(yīng)的軟件還可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和分析等許多功能。 電源 PLC 配有開關(guān)電源，以供內(nèi)部電路使用。與普通電源相比， PLC 電源的穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)。對(duì)電網(wǎng)提供的電源穩(wěn)定度要求不高，一般允許電源電壓在其額定值177。 15% 的范圍內(nèi)波動(dòng)。許多 PLC 還向外提供直流 24V 穩(wěn)壓電源，用于對(duì)外部傳感器供電。 PLC 中的電源一般有三類： +5V、 177。15V 直流電源：供 PLC 中 TTL 芯片和集成運(yùn)放使用； 供輸出接口使用的高壓大電流的功率電源 ； 鋰電池及其充電電源。 考慮到系統(tǒng)的可靠性以及光電隔離器的使用，不同類型的電源其地線也不同。 目前 PLC 的發(fā)展非常迅速，型號(hào)眾多，各種特殊功能模板不斷涌現(xiàn)。通常根據(jù)其 I/O 點(diǎn)的數(shù)量將 PLC 分為三大類： 小型機(jī)： 256 點(diǎn)以下（無模擬量）； 中型機(jī)： 256 ~ 2048 點(diǎn)（ 64 ~ 128 路模擬量）； 大型機(jī)： 2048 點(diǎn)以上（ 128 ~ 512 路模擬量）。 具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，通常采用模板式結(jié)構(gòu)，以便用戶根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行配置。但一些小型機(jī)常制作成一體機(jī)，其配置固定，主要供定型成套設(shè)備使用；而一些大型機(jī)一般在 電源、或者 CPU，甚至兩者都作了熱備份。 其它外部設(shè)備 除了以上所述的部件和設(shè)備外， PLC還有許多外部設(shè)備，如 EPROM 寫入器、外存儲(chǔ)器、人 /機(jī)接口裝置等。 EPROM 寫入器是用來將用戶程序固化到 EPROM 存儲(chǔ)器中的一種 PLC 外部設(shè)備。為了使調(diào)試好用戶程序不易丟失，經(jīng)常用 EPROM 寫入器將 PLC 內(nèi) RAM 保存到 EPROM 中。 PLC 內(nèi)部的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器稱為內(nèi)存儲(chǔ)器。有時(shí)可用外部的磁帶、磁盤和用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器作成的存儲(chǔ)盒等來存儲(chǔ) PLC 的用戶程序，這些存儲(chǔ)器件稱為外存儲(chǔ)器。外存儲(chǔ)器一般是通過編程器或其它 智能模塊提供的接口，實(shí)現(xiàn)與內(nèi)存儲(chǔ)器之間相互傳送用戶程序。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） PC與 PLC的通信系統(tǒng)下位機(jī)硬件設(shè)計(jì) 16 人 /機(jī)接口裝置是用來實(shí)現(xiàn)操作人員與 PLC 控制系統(tǒng)的對(duì)話。最簡(jiǎn)單、最普遍的人 /機(jī)接口裝置由安裝在控制臺(tái)上的按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、撥碼開關(guān)、指示燈、LED 顯示器、聲光報(bào)警器等器件構(gòu)成。對(duì)于 PLC 系統(tǒng)，還可采用半智能型 CRT人 /機(jī)接口裝置和智能型終端人 /機(jī)接口裝置。半智能型 CRT人 /機(jī)接口裝